1、物理层的基本概念

传输媒体：

• 导引型传输媒体
  • 双绞线
  • 同轴电缆
  • 光纤
• 非导引型传输媒体
  • 微波通信（2-40GHz）

物理层协议的主要任务： 机械特性、电气特性、功能特性、过程特性

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排序、固定和锁定装置。
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
• 功能特性：指明某线条上出现的某一电平的电压表示何种意义。
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。 物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

2、物理层下面的传输媒体

导引型传输媒体

• 同轴电缆
  • 基带同轴电缆（50 $\Omega$ ）：数字传输，过去用于局域网
  • 宽带同轴电缆（75$\Omega$）：模拟传输，目前主要用于有线电视
• 双绞线
  • 无屏蔽双绞线UTP电缆
  • 屏蔽双绞线STP电缆
    • 绞合的作用： 1、抵御部分来自外部得电磁波干扰 2、减少相邻导线的电磁干扰
• 光纤
  • 多模光纤
  • 
  • 单模光纤
  • 
  • 优点： 1、通信容量大 2、传输损耗小，远距离传输时更加经济 3、抗雷电和电磁性能好 4、无串音干扰，保密性好，不易被窃听 5、体积小，重量轻
  • 缺点： 1、割切需要专属设备 2、光电接口价格贵
• 电力线
  • 

非导引型传输媒体

• 无线电波
  • 频率范围：约 3kHz ~ 3GHz
  • 特点：向空间全方位传播（全向性），能穿透建筑物，不需天线对准
  • 应用：广播、移动通信（手机）、Wi-Fi 等
  • 优点：无需架设线路，覆盖范围广，支持移动通信
  • 缺点：易受干扰，保密性差，频率资源有限
• 微波
  • 频率范围：300MHz ~ 300GHz，常用 2 ~ 40GHz
  • 特点：波长短，近似直线传播（视距传播），不能穿过建筑物，收发天线必须对准
  • 分类： 1、地面微波接力通信 2、卫星通信
  • 优点：通信容量大，传输质量较高
  • 缺点：受天气（雨衰）和地形影响明显，需每隔几十公里设中继站
• 红外线
  • 特点：直线传播，不能穿过固体障碍物（不能穿墙）
  • 应用：遥控器、红外短距离通信（如 IrDA）
  • 优点：成本低，设备简单，定向性好，信号不穿墙故保密性较好
  • 缺点：传输距离短，中间不能有障碍物阻挡
• 可见光
  • 特点：直线传播，属于光通信
  • 应用：LiFi（可见光通信）、自由空间光通信
  • 优点：频带极宽，传输速率高，不受电磁干扰
  • 缺点：需要视线传输，不能穿墙，受遮挡影响大

3、传输方式

3.1 串行传输、并行传输

• 串行传输 是指数据一个比特一个比特依次发送，在发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路即可。
• 并行传输 是指一次发送n个比特，在发送端和接收端之间只需要n条数据传输线路，速度是串行传输的n倍，但是成本高。

3.2 同步传输、异步传输

• 同步传输：
  • 收发双方时钟同步的方法
    • 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线
    • 内同步：不额外加时钟线，而是把时钟信号"藏"在数据信号里一起发过去，接收端从收到的数据信号中自己提取出时钟信号。
      • 典型例子：曼彻斯特编码（也叫"自含时钟"的编码，每个比特中间都跳变一次，这个跳变既表示数据又表示时钟）
• 异步传输： 以字符为单位一个字符一个字符地传（一个英文字母就是一个字符）。
  • 每发一个字符，前面加一个起始位（告诉接收端"开始啦"），后面加一个停止位（告诉接收端"发完了"）。
  • 接收端靠起始位认出字符的开始，把整个字符收完后，再等下一个起始位。
  • 特点：收发双方不需要严格同步，时钟差一点点也没关系，实现简单。
  • 缺点：每个字符都要额外多传起止位，有开销，效率不如同步传输，常用于低速传输（如键盘输入、串口）。

3.3 单向通信、双向交替通行、双向同时通信

• 单向通信：只有一个数据传输方向
• 双向交替通信：双方可以相互传输数据，但是不能同时进行
• 双向同时通信：双方可以同时发送和接收信息

4、编码与调制

• 基带信号：信源发出的原始信号（如电脑里的数字信号），频率低、从0附近开始，只适合近距离直接传输。
• 带通信号（频带信号）：把基带信号"搬运"到较高频率后的信号，适合远距离传输。

一句话区分：编码 = 把数据变成数字信号；调制 = 把数据变成模拟信号（搬到高频上去）。

4.1 数字数据 → 数字信号（编码）

• 不归零编码（NRZ）：高电平=1，零电平=0。
  • 缺点：遇到连续的1或连续的0时，接收端分不清每个比特的边界，没法靠自己同步（自同步性差）。
• 归零编码（RZ）：每个比特传完后都会回到零电平，用脉冲有无表示数据。
• 曼彻斯特编码：每个比特时间的中间必定有一次跳变——
  • 这个跳变既表示数据（如低→高表示0，高→低表示1），又充当时钟信号（自含时钟）。
  • 优点：接收端能从信号里自己提取时钟，同步可靠；经典以太网用的就是它。
  • 缺点：传1个比特要跳2次，信号频率比数据速率高，效率只有50%。
• 差分曼彻斯特编码：每个比特中间一定有跳变（用作时钟）；数据看每个比特开始处有没有跳变：有跳变=0，无跳变=1。
  • 优点：抗干扰能力更强（令牌环网用过它）。

4.2 数字数据 → 模拟信号（调制）

把0和1"画"到一种高频载波上：

• 幅移键控（ASK）：用振幅表示——有波=1，没波=0。实现最简单，但最怕干扰。
• 频移键控（FSK）：用频率表示——高频=1，低频=0。抗干扰性好，早期电话线上网（拨号上网）就用它。
• 相移键控（PSK）：用相位表示——相位不变=0，相位反转180°=1（2PSK）。抗干扰能力最强。
• 正交振幅调制（QAM）：振幅、相位一起调，一个码元能携带更多比特，效率高（现在的Wi-Fi、DSL都在用）。

4.3 模拟数据 → 数字信号（编码）

• 脉冲编码调制 PCM（数字电话就是这么干的），三步走：
  1. 采样：每隔一小会儿取一个信号值（采样频率要 ≥ 信号最高频率×2，否则还原不出来）。
  2. 量化：把采到的连续数值归到有限的几个等级里。
  3. 编码：把每个等级换成二进制代码。
  • 例：电话语音 8kHz采样 × 8位量化 = 64 kbit/s。

4.4 模拟数据 → 模拟信号（调制）

• 用高频载波"驮着"模拟信号走：调幅（AM）、调频（FM，收音机用）、调相（PM）。
• 应用：无线电广播、电视这类传统模拟传输。

5、信道的极限容量

为什么会有限制？ 任何信道都有带宽限制——频率太高的信号会被衰减，导致波形失真；相邻码元还会互相"蹭"到（码间串扰）。所以每秒能传多少比特，是有上限的。

5.1 奈氏准则（奈奎斯特准则）——【无噪声】时的极限

• 在理想低通信道（没有噪声）里：极限码元速率 = 2W（波特）
  • $W$ = 信道带宽（Hz）；波特 = 每秒传多少个码元
• 再让每个码元多带几个比特：极限数据率 $C = 2W\log_2 V$（bit/s）
  • $V$ = 一个码元能表示的离散电平数（V=2 就是高低两个电平，每个码元只能带1比特）
• 例子：带宽 3kHz、用 V=4 的电平（每码元2比特）→ 极限速率 = 2×3000×log₂4 = 12000 bit/s。
• 记法：奈氏准则说的是"没噪声时最高能到多少"，是理论上限，实际达不到。

5.2 香农公式（香农定理）——【有噪声】时的极限

$C = W\log_2(1 + S/N)$（bit/s）

• $W$ = 信道带宽（Hz）
• $S/N$ = 信噪比（信号功率 / 噪声功率），常换算成分贝：信噪比(dB) = 10·lg(S/N)
• 例子：带宽 3kHz、信噪比 30dB（S/N 是1000倍）→ C = 3000×log₂(1+1000) ≈ 3000×9.97 ≈ 30000 bit/s。
• 记法：不管用什么编码/调制技术，有噪声信道的速率都突破不了这个上限。想提速只有两条路：加大带宽 W 或 提高信噪比 S/N。

5.3 两个公式总结对比